李 妍

(中冶南方工程技術(shù)有限公司智能制造事業(yè)部,湖北 武漢 430223)

0 引言

高爐鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)熱風(fēng)爐加熱,產(chǎn)生高溫(大于1 000 ℃)熱風(fēng)。送風(fēng)系統(tǒng)將高溫?zé)犸L(fēng)送入高爐爐膛作為氧氣來(lái)源,與原有氧氣、焦炭和煤粉一起燃燒,生成還原劑。燃燒產(chǎn)生的壓力有助于減弱供氣和料柱阻力,同時(shí)保持爐頂壓力高于大氣壓。在高溫和正壓的支持下,鐵礦石在高爐內(nèi)被還原劑完全還原成鐵水,形成爐渣。由于鐵水比爐渣重,導(dǎo)致爐渣浮于鐵水上方。正常情況下,高爐約2 h各出1次鐵和渣。若在出鐵前鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)緊急停機(jī)等故障,會(huì)導(dǎo)致送風(fēng)壓力急劇下降,還未分離的鐵和渣混合物倒灌入風(fēng)口并凝結(jié),即風(fēng)口灌渣[1]。

為了解決上述問(wèn)題,緊急撥風(fēng)系統(tǒng)可將高爐高溫?zé)犸L(fēng)通過(guò)撥風(fēng)聯(lián)絡(luò)管道引到出故障的高爐風(fēng)道內(nèi),以解決壓力不足所產(chǎn)生的一系列問(wèn)題,從而防止風(fēng)口灌渣的發(fā)生。緊急撥風(fēng)系統(tǒng)是保證高爐安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的重中之重。其中的控制儀表更是支撐和控制整個(gè)拔風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

本文結(jié)合儀表控制學(xué)原理,對(duì)鋼鐵廠高爐撥風(fēng)系統(tǒng)的控制原理、重要儀表的設(shè)計(jì)選型及需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究和分析[2]。

1 工藝撥風(fēng)的要求和控制方案

某鋼廠有高爐4座、鼓風(fēng)機(jī)4臺(tái),現(xiàn)新增2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī),可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)之間互相撥風(fēng)。新增鼓風(fēng)機(jī)在常規(guī)工況下向1#高爐和2#高爐送風(fēng)。改造后,4臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)在常規(guī)工況下向3#高爐和4#高爐送風(fēng)。如果其中1臺(tái)在線運(yùn)行風(fēng)機(jī)機(jī)組出現(xiàn)故障突然停機(jī),導(dǎo)致無(wú)法正常供風(fēng)時(shí),高爐將會(huì)在30 s內(nèi)“坐料”,甚至出現(xiàn)風(fēng)口灌渣。為了避免上述問(wèn)題,撥風(fēng)系統(tǒng)必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng),將另一臺(tái)正常運(yùn)行的風(fēng)機(jī)機(jī)組供風(fēng)母管通過(guò)快速撥風(fēng)閥組送入故障機(jī)組供風(fēng)母管。為規(guī)范撥風(fēng)系統(tǒng)的觸發(fā)條件,工況需要同時(shí)滿足下列3項(xiàng)條件才可觸發(fā)。

①高爐側(cè)冷風(fēng)總管壓力異常迅速地降低到撥風(fēng)壓力。

②高爐配套鼓風(fēng)機(jī)出口止回閥關(guān)閉到位,避免冷風(fēng)倒灌回鼓風(fēng)機(jī)。

③鼓風(fēng)系統(tǒng)處于非計(jì)劃減風(fēng)狀態(tài),避免誤撥風(fēng)。

依據(jù)工藝要求,撥風(fēng)系統(tǒng)中的2臺(tái)風(fēng)機(jī)機(jī)組可以互相撥風(fēng),系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)撥風(fēng)氣動(dòng)閥兩側(cè)的風(fēng)壓、氣動(dòng)閥/電動(dòng)閥的狀態(tài)、撥風(fēng)流量,并且使撥風(fēng)流量穩(wěn)定在1 500 Nm3/min左右。為滿足工藝要求,以下3個(gè)方案可供參考。

1.1 調(diào)節(jié)電動(dòng)閥定風(fēng)量

方案一為調(diào)節(jié)電動(dòng)閥定風(fēng)量。通過(guò)調(diào)節(jié)撥風(fēng)管前后電動(dòng)閥到一定開度,保證流量大小保持在1 500 Nm3/min左右。

方案一的撥風(fēng)流程如圖1所示。

圖1 方案一的撥風(fēng)流程圖

方案一較經(jīng)濟(jì)實(shí)用,為節(jié)流件前后直管段預(yù)留了充裕的長(zhǎng)度,以保證流量計(jì)的計(jì)量更加準(zhǔn)確。利用流量計(jì)前后電動(dòng)閥門調(diào)節(jié)開度至定角,可達(dá)到穩(wěn)定流量的目的。電動(dòng)閥門調(diào)整開度需要經(jīng)驗(yàn)累積和現(xiàn)場(chǎng)多次校準(zhǔn)相互配合。經(jīng)核準(zhǔn)后的電動(dòng)閥開度是在流量穩(wěn)定在1 500 Nm3/min左右時(shí)確定的,故確定后不可再改變。改變會(huì)使本來(lái)作為檢修的電動(dòng)閥門失去檢修的意義。

1.2 設(shè)置調(diào)節(jié)閥開度定風(fēng)量

方案二為設(shè)置調(diào)節(jié)閥開度定風(fēng)量。撥風(fēng)管流量計(jì)前后各設(shè)置1個(gè)調(diào)節(jié)閥以調(diào)節(jié)流量的大小,使流量穩(wěn)定在1 500 Nm3/min左右。

方案二較好地解決了雙向流量大小控制的問(wèn)題,達(dá)到了減少壓損的目的。調(diào)節(jié)閥位于流量計(jì)前,以限流降壓。介質(zhì)雙向流向可以控制流量計(jì)后的調(diào)節(jié)閥全開,以減少能量損失。但粗略穩(wěn)定的工況用2個(gè)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制未免有些大材小用,故此方案性價(jià)比不高[3]。

方案二的撥風(fēng)流程如圖2所示。

圖2 方案二的撥風(fēng)流程

1.3 設(shè)置限流孔板定風(fēng)量

方案三為設(shè)置限流孔板定風(fēng)量。在流量計(jì)前后各設(shè)置1個(gè)限流孔板以保證流量大小保持在1 500 Nm3/min左右。方案三的撥風(fēng)流程如圖3所示。

圖3 方案三的撥風(fēng)流程

方案三為控制雙向流量大小的常規(guī)做法。與方案二相比,由于方案三設(shè)置了2塊限流孔板,使得節(jié)流件的直管段相對(duì)較短。這里需要選擇直管段相對(duì)要求較低的流量計(jì),如超聲波流量計(jì)和非標(biāo)插入式節(jié)流件。該方案被選擇作為鋼廠的確定方案運(yùn)行至今,各方面指標(biāo)正常,運(yùn)行狀況良好。

2 儀表選型

2.1 限流孔板

限流孔板是1種雙功能孔板,具有測(cè)量和節(jié)流的雙重功能。測(cè)量體現(xiàn)在可用作流體流量測(cè)量元件;節(jié)流體現(xiàn)在可限定流量和降低壓力。其節(jié)流工作原理如下:當(dāng)孔徑一定時(shí),由于孔板兩側(cè)具有壓力差,壓力差會(huì)與流量大小成正比;當(dāng)壓力差大于特定數(shù)值(稱為臨界壓力)時(shí),通過(guò)孔板縮孔處的流速達(dá)到音速(最大流速);此時(shí)再增大流體壓差也無(wú)法增加流速,故能起到限定流體流量和降低壓力的作用[4]。

限流孔板的計(jì)算依照標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20570.15—1995設(shè)置。

2.1.1 限流孔板孔數(shù)的計(jì)算

①管道公稱直徑小于或等于150 mm時(shí),一般采用單孔孔板;大于150 mm時(shí),則采用多孔孔板。多孔孔板的孔徑(d0)一般可選用12.5 mm、20 mm、25 mm、40 mm。

②孔數(shù)的確定。

對(duì)于單孔孔板,孔數(shù)為1。而對(duì)于多孔孔板,首先按單孔孔板的條件算出孔徑,然后依據(jù)式(1)計(jì)算出多孔孔板的孔數(shù)。

(1)

式中:N為多孔孔板的孔數(shù);d2為單孔孔板的孔徑。

2.1.2 限流孔板板數(shù)及每板兩側(cè)壓力的計(jì)算

①氣體。

為了避免限流孔板的管路出現(xiàn)阻塞流,當(dāng)限流孔板后的壓力小于板前壓力的55%時(shí),要選擇多板(不能使用單板)。其板數(shù)要保證每板的板后壓力大于板前壓力的55%。

(2)

式中:n為總板數(shù);P1為多孔孔板第一塊板的板前壓力,Pa;P2為多孔孔板最后一塊板的板后壓力,Pa。

(3)

式中:P′m為多孔孔板第m塊板的板后壓力,Pa。

結(jié)合每塊板前后的壓力,可以算出每塊孔板的孔徑。n圓整后,重新分配各板前后壓力。

②液體。

當(dāng)液體壓降小于或等于2.5 MPa時(shí),選擇單孔孔板。當(dāng)液體壓降大于2.5 MPa時(shí),選擇多孔孔板,且使每塊孔板的壓降小于2.5 MPa。

(4)

計(jì)算出n值后,將n圓整為整數(shù),再按每塊板上的壓降相同的原則,以整數(shù)來(lái)平均分配每塊板的前后壓力。

2.1.3 單板限流孔板孔徑的計(jì)算

①氣體。

孔板孔徑計(jì)算方法見式(5)。

(5)

②液體。

(6)

式中:Q為工作狀態(tài)下的體積流量,m3/h;ΔP為通過(guò)孔板的壓降,Pa:γ為工作狀態(tài)下的相對(duì)密度。

2.1.4 限流作用的孔板計(jì)算

由于流體介質(zhì)呈雙向流向,需要在流量計(jì)上游(正、反兩處)設(shè)置正向和反向2塊限流孔板。若只需要限流,則沒有直管段要求。DN600的管子中,孔板本身大約占100 mm。經(jīng)核算后,所選限流孔板的差壓為P=0.165 MPa,開孔徑比β=0.527 6。實(shí)踐證明,在雙向流量計(jì)測(cè)量限流后的雙向流量時(shí),前后各1塊限流孔板的設(shè)置在撥風(fēng)系統(tǒng)的配置中比較好地解決了撥風(fēng)后流量突增影響爐況順行和煤氣流分布的問(wèn)題[6]。

2.2 關(guān)于雙向流量計(jì)的選擇

①超聲波流量計(jì)。

較常規(guī)差壓式流量計(jì),超聲波擁有非接觸式、無(wú)壓損、量程比寬、不受流體粘度和電導(dǎo)率影響等優(yōu)點(diǎn)。超聲波流量計(jì)的測(cè)量與超聲信號(hào)在介質(zhì)中的傳播時(shí)間有關(guān),可以進(jìn)行雙向流量的測(cè)量。其缺點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較高[7]。

②楔形流量計(jì)。

楔形流量計(jì)為非標(biāo)節(jié)流差壓式流量測(cè)量?jī)x表。它的一次傳感器是楔形節(jié)流件(也稱V字形楔塊),圓滑頂角設(shè)計(jì)方向朝下。這種設(shè)計(jì)有利于粘稠液體或含懸浮顆粒的懸濁液順利通過(guò),避免在節(jié)流件上游產(chǎn)生滯流。節(jié)流體的正三角體形狀設(shè)計(jì)保證了介質(zhì)正反向流動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生相同對(duì)應(yīng)流量的差壓,故可以測(cè)量雙向介質(zhì)。但是其特殊的結(jié)構(gòu)形式和安裝方式會(huì)導(dǎo)致整體節(jié)流元件較重,增加了現(xiàn)場(chǎng)施工和安裝的難度[8]。

③皮托管差壓式流量計(jì)。

皮托管一般分為S型和L型這2類。S型皮托管相對(duì)L型具有更好的防潮和防堵能力。本文根據(jù)實(shí)際需求,選用S型皮托管式風(fēng)速傳感器來(lái)測(cè)量雙向流量。S型皮托管的結(jié)構(gòu)是由2支相同管徑的皮托管相對(duì)焊接而成。該結(jié)構(gòu)可方便測(cè)量風(fēng)流信號(hào)的全壓和靜壓。由于靜壓是空氣分子不規(guī)則運(yùn)行撞擊管壁而產(chǎn)生的壓力,故靜壓口設(shè)計(jì)在背對(duì)風(fēng)流的端口。全壓口設(shè)計(jì)在面向風(fēng)流的端口處。全壓和靜壓的差值為風(fēng)速對(duì)應(yīng)的差壓值。管體對(duì)稱制作的工藝使得流量計(jì)可以測(cè)量雙向流量[9-10]。

2.3 二次儀表的選擇

①2個(gè)壓力變送器。

介質(zhì)流向是雙向的,故選擇2個(gè)壓力變送器相減的方法來(lái)測(cè)量壓力。該方法表面上看可行,但是由于每臺(tái)變送器存在精度誤差的問(wèn)題,若假設(shè)單個(gè)壓力變送器的精度為±0.065%,且2個(gè)變送器都是同一精度,則2個(gè)變送器整體精度變?yōu)椤?.13%。這種差壓誤差被放大會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度急劇下降。而如果增大單個(gè)變送器的精度,則成本會(huì)大幅提升。

②雙差壓變送器。

當(dāng)介質(zhì)正反向流動(dòng)速度完全相同,且對(duì)于精度的要求不高時(shí),測(cè)量雙向介質(zhì)流量的常規(guī)解決方法是在每個(gè)方向設(shè)置1個(gè)差壓變送器。

③單差壓變送器。

使用1個(gè)差壓變送器搭配雙向流量計(jì)的方案也可實(shí)現(xiàn)雙向介質(zhì)流量的準(zhǔn)確測(cè)量。這種方案節(jié)省了成本,是1種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型方案。使用過(guò)程往往需要將1個(gè)差壓變送器的信號(hào)分成2個(gè)區(qū)間,即4～12 mA和12～20 mA,因此加大了實(shí)現(xiàn)開方功能的復(fù)雜程度。這不僅需要增加功能模塊,還要在可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)上修改組態(tài)以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。如果實(shí)際工況是操作人員僅需要知道反向流量是否發(fā)生而不需要定量時(shí),則可以直接使用現(xiàn)有的單差壓變送器且完全無(wú)需修改相關(guān)設(shè)置。當(dāng)流量為0時(shí),差壓變送器信號(hào)輸出設(shè)定為4 mA;如輸出信號(hào)小于4 mA即可認(rèn)定是反向流量?，F(xiàn)代化的流量測(cè)量技術(shù)要求差壓變送器具備重新設(shè)置量程的功能,現(xiàn)階段的PLC也具備差壓變送器量程分割的能力。此外,實(shí)現(xiàn)雙向流量測(cè)量中的開方功能有2種方法:將雙向流量功能塊安裝于PLC上;將雙向流量的開方功能直接在流量計(jì)上實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中,針對(duì)規(guī)則或不規(guī)則的流量,往往需用信號(hào)來(lái)區(qū)分介質(zhì)流動(dòng)方向,例如設(shè)置4～12 mA為正向、12～20 mA為反向。在規(guī)則流量的測(cè)量中,可以按照量程的蹭點(diǎn)來(lái)建立0點(diǎn)以區(qū)分正反向。對(duì)于不規(guī)則的流量,采用計(jì)算的方法可得到0點(diǎn)[11]。

3 結(jié)論

本文選取高爐鼓風(fēng)機(jī)拔風(fēng)系統(tǒng)的儀表設(shè)計(jì)為研究對(duì)象,針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的選型和優(yōu)化技術(shù)難題,系統(tǒng)地闡述了對(duì)應(yīng)的規(guī)范和選型設(shè)計(jì)思路。該設(shè)計(jì)思路已經(jīng)應(yīng)用于某工程項(xiàng)目,且該項(xiàng)目已于2021年順利投產(chǎn)。投產(chǎn)至今,項(xiàng)目運(yùn)行穩(wěn)定。該設(shè)計(jì)思路具有普適性,適合推廣應(yīng)用。

在已經(jīng)取得的成功案例的基礎(chǔ)上,本文進(jìn)一步提出了改進(jìn)的新思路,例如完善鼓風(fēng)機(jī)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、設(shè)定風(fēng)量控制系統(tǒng)、增加風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定風(fēng)壓的功能。當(dāng)撥風(fēng)閥開啟時(shí),讓被撥風(fēng)風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換為定風(fēng)壓運(yùn)行,此時(shí)送風(fēng)壓力恒定,可保證被撥風(fēng)高爐在給其他高爐撥風(fēng)時(shí)不受干擾地運(yùn)行。這些設(shè)計(jì)思路有待后續(xù)落地。